长期定位施氮条件下不同品质类型冬小麦适宜施氮量的研究

姚艳荣，金欣欣，李 辉，张 丽，李 谦，申海平，贾秀领

(河北省农林科学院粮油作物研究所/农业部华北地区作物栽培科学观测实验站, 河北石家庄 050035)

小麦是重要的粮食作物。随着人们对专用性小麦需求的增加，小麦品质研究越来越受到重视。根据品质不同，小麦可分为中筋、中强筋、强筋和弱筋四种类型。河北省是优质中筋、强筋小麦的主产区，近年来该省优质小麦的产量不断提高，品质也得到了很大改善。氮肥在小麦产量和品质形成中起着关键作用[1-2]。由于不同小麦品种的氮肥敏感性存在差异[3-5]，且小麦产量和品质受环境影响[6-8]，因而针对不同品种和土壤地力，适量施氮才有利于提高小麦产量和品质[9-11]。研究表明，中筋和强筋小麦的产量和品质会随着施氮量的增加而提高，但过量施氮不利于增产和品质改善[12-14]。然而，目前的研究多基于1～3年的短期试验，其结果受土壤肥力基础影响大。长期定位施氮后土壤理化性状稳定，因此通过长期定位试验可预测长期施氮对产量、品质和土壤养分的影响，对探索农业可持续性有重要意义[15]。有关不同品质类型的小麦在长期定位施氮条件下，产量和加工品质指标的氮肥效应的综合研究尚少。另外，由于过分追求高产优质，麦田施氮量过高，而过量施氮是造成地下水污染的重要因素[16]。在河北小麦高产优质高效生产条件下，进一步研究对环境安全的施氮量，对实现小麦高产、高效、优质和生态安全有重要意义。本研究在十年定位施氮基础上，分析了长期施氮后河北广泛种植的高产中筋小麦、优质中强筋、强筋和超强筋品种的产量和加工品质指标的变化，以及农田和土壤氮素表观盈亏状况，从产量、品质和氮素平衡三方面解析氮肥效应，以期为小麦合理施氮提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

定位试验于2006年10月开始在河北省农林科学院粮油作物所藁城堤上试验站(E116.85，N38,415)进行。2006年小麦季播前0～20 cm土壤有机质含量为15.5 g·kg-1，全氮含量为0.97 g·kg-1，碱解氮含量为72.7 mg·kg-1，速效磷含量为19.5 mg·kg-1，速效钾含量为91.0 mg·kg-1。小麦-玉米周年定位施氮量设(0+0)、(60+60)、(120+120)、(180+180)、(240+240)和(300+300) kg·hm-26个水平，各处理小麦季施入基肥P2O5(150 kg·hm-2)和K2O(105 kg·hm-2)，小麦和玉米秸秆全部还田。本试验在此基础上于2016年10月8日播种小麦，2017年6月10日收获，播前土壤养分情况见表1。试验采用裂区设计，品种为主区，施氮量为副区，小区面积37.8 m2(7.0 m×5.4 m)，三次重复。依据河北省和国家农作物品种审定公告(第一种业网http://www.a-seed.cn)和国家优质麦分类标准(GB/T17320-2013)以及各品种在生产上的应用和食品加工品质的表现(农民日报http://www.farmer.com.cn, 中国种业商务网https://www.chinaseed114.com)，确定中筋小麦济麦22(J22)、中强筋小麦石优20(SY20)、强筋小麦藁优2018(G2018)和超强筋小麦师栾02-1(SL02-1)四个代表性品种为供试材料，定位施入氮肥，设6个施氮处理，分别为0、60、120、180、240、300 kg·hm-2，对应编号N0 、N60、 N120、 N180、 N240 和N300，底施和拔节追施比例为 1∶1。拔节和开花期各灌水60 mm。

表1 2016年播前0～20 cm 土层土壤养分含量状况Table 1 Nutrient status of 0-20 cm soil layer before sowing in 2016

1.2 测定方法

1.2.1 产量及产量构成因素测定

采用小区收割机收获，收获后测定籽粒水分，折合计算出13%含水量的籽粒产量。各小区选0.333 m2(1.11 m×0.3 m)植株进行考种，调查穗数、穗粒数和千粒重。

1.2.2 籽粒品质测定

从各小区收获籽粒中取2.5 kg，依照国标NY/T 3测定籽粒蛋白质含量；依照GB/T 5506.2采用面筋指数测定仪测定湿面筋含量；依照GB/T 14614采用全自动粉质仪测定粉质仪参数(形成时间、稳定时间、吸水率)；依照GB/T 14615采用拉伸仪测定拉伸仪参数(最大抗延阻力、拉伸面积)；依照NY/T 1095采用小麦面粉沉降指数测定仪测定Zeleny沉降值。籽粒硬度依照GB/T 21304采用小麦硬度指数仪测定。

1.2.3 秸秆和籽粒全氮含量测定

成熟期从每个小区留取30个单茎，分籽粒和秸秆两部分粉碎消煮，利用SKALER连续流动分析仪测定全氮含量。

1.2.4 土壤硝态氮测定

播种、收获期采集0～100 cm土壤样品(每 20 cm 为一个样品，每个小区取3钻，将相同层次土样混合)，-20 ℃冷冻保存。测定前取出样品解冻后，用烘干法测定土壤含水量，同时称取 5.00 g 新鲜土样，加入1 mol·L-1的 KCl 50 mL浸提，用SKALER连续流动分析仪测定硝态氮含量。

1.3 氮素平衡及利用指标计算方法

植株总吸氮量=籽粒吸氮量+秸秆吸氮量

氮肥表观利用率=(施氮处理植株总吸氮 量-不施氮处理植株总吸氮量)/施氮量×100%

氮肥边际效率=籽粒产量的增加量/施氮增加量

农田氮素表观盈亏=施入氮量-籽粒吸氮量(本试验小麦秸秆全部还田，不考虑硝化和反硝化作用，以及雨水、种子氮对氮平衡的影响)

土壤氮素表观盈亏=收获期土壤硝态氮积累量-播前土壤硝态氮积累量(北方旱地土壤中的有效氮主要是硝态氮[17])

1.4 统计分析方法

用EXCEL进行数据整理、数学模拟分析和制图，用DPS软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 氮肥对小麦产量及其构成的影响

方差分析表明，品种、施氮量对小麦产量及其三个构成因素均有极显著的影响，二者间只在穗数和穗粒数上存在交互作用(表2)。不同品种对氮肥的反应不同(表3)。各品种的产量均先随着施氮量的增加而显著增加，施氮量超过一定值后其效应不再明显，其中J22、G2018和SL02-1的临界施氮量为120 kg·hm-2，而SY20为180 kg·hm-2(表3)。穗数、穗粒数随施氮量增加的变化趋势与产量相似。这说明施氮对不同品质类型品种均具有增产作用，但过量施氮后增产的效果不明显。

2.2 氮肥对小麦施肥效率的影响

从当季氮肥表观利用率(图1A)看，4个品种都以N120处理最高，再增加施氮量，氮肥表观利用率均逐渐降低，品种间SL02-1>G2018>SY20>J22。各品种的氮肥边际效率随施氮量的增加总体上均呈降低趋势(图1B)。各品种N0～N240处理的氮肥边际效率均为正值，J22、SY20、和SL02-1的N300处理均为负值，而G2018虽为正值，但很低。

表2 小麦籽粒产量及其构成的施氮和品种效应Table 2 Effects of cultivarand nitrogen rate on yield and its components of wheat

*:P<0.05; **:P<0.01.

表3 施氮处理间不同小麦品种籽粒产量及其构成的差异Table 3 Difference of yield and its components of different wheat cultivars among nitrogen application treatments

综合以上分析，在本试验条件下，J22和SL02-1获得较高产量且氮肥效率较高的适宜施氮范围为120～240 kg·hm-2，SY20为180～240 kg·hm-2，G2018为120～300 kg·hm-2。

图1 不同施氮处理的氮肥表观利用率和氮肥边际效率Fig.1 Apparent nitrogen recovery and marginal efficiency of fertilizer N

2.3 氮肥对不同品种小麦品质的影响

在不同类型品种间各品质指标均存在显著差异(表4)。长期不施氮会造成品质显著下降，导致蛋白质含量、湿面筋含量、稳定时间等降至弱筋小麦水平(表4，图2)。对于中筋品种J22，施氮对蛋白质含量、湿面筋含量、延伸性和沉降值有改善作用，但对面团形成时间、稳定时间、拉伸能量和拉伸阻力影响较小，其适宜施氮量为120～300 kg·hm-2。对于中强筋品种SY20，施氮120 kg·hm-2就能满足蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率、形成时间、稳定时间、沉降值等指标达到品种自身要求的需要，但影响延伸性，适宜施氮量为180～240 kg·hm-2。对于强筋品种G2018和超强筋品种SL02-1，施氮120 kg·hm-2时，蛋白质、吸水率、稳定时间、拉伸面积和沉降值等指标也能实现品种潜力水平，但从湿面筋、形成时间和延伸性考虑，施氮量须达到180 kg·hm-2以上，适宜施氮量为180～240 kg·hm-2。

表4 不同品种和施氮处理的品质指标Table 4 Quality traits of different cultivars under various nitrogen rates

2.4 不同施氮量对表观氮素平衡的影响

不同小麦品种籽粒吸氮量有差异，SL02-1高于其他品种(图3)。由于试验秸秆全部还田，籽粒吸氮量即为农田输出氮量。施氮量低于120 kg·hm-2时，各品种籽粒携带出的氮素量显著高于施氮量，农田氮素出现亏缺。施氮量为180 kg·hm-2时，SY20籽粒携带出的氮素量略低于与施氮量，而其余品种籽粒携带出的氮量略高于施氮量。施氮量为240 kg·hm-2时，各品种籽粒带出的氮素量低于施氮量，农田氮素有盈余。根据施氮量直线与籽粒吸氮量趋势线交点得出，J22、SY20、 G2018和SL02-1达到农田表观氮素平衡的施氮量分别为197、166、199和218 kg·hm-2，平均值为195 kg·hm-2。

从播前和收获时1 m土体硝态氮变化(图4)看，施氮量为0～180 kg·hm-2时，收获后土壤氮素有亏缺，当施氮为240 kg·hm-2时，土壤氮略有盈余，施氮量为300 kg·hm-2时，收获后土壤硝态氮有大量盈余。利用直线插值法计算得到土壤氮素无盈余的施氮量为212 kg·hm-2。

图2 施氮量对不同品种品质指标的影响Fig.2 Effect of nitrogen rates on quality of different wheat cultivars

图3 不同施氮处理下各品种籽粒吸氮量与施氮量的关系Fig.3 Relationship between grain nitrogen and N rate to different varieties

图4 不同施氮处理下的土壤硝态氮含量Fig.4 Nitrate nitrogen content in soil under different nitrogen rates

表5 不同品种高产、优质、氮素平衡的适宜施氮量范围Table 5 Suitable range of nitrogen application for high yield, high quality and nitrogen balance to different varieties

3 讨 论

氮肥是影响小麦产量的重要因素。本研究表明,在长期定位施氮条件下，不同品质类型小麦品种的产量差异显著，适宜施氮量范围也略有差异。从产量和氮肥利用效率看，J22、SY20、G2018和SL02-1的适宜施氮范围分别为120～240、180～240、120～300和120～240 kg·hm-2。由于试验土壤条件和小麦品种的差异，本研究与前人研究结果不尽相同，但总体来看不同品种获得高产的适宜施氮量多在120～300 kg·hm-2范围内[18-21]。

施用氮肥对于小麦籽粒蛋白质积累和加工品质的形成是必不可少的[22]。氮素缺乏会使籽粒形成过程中蛋白质的合成减少[23]，从而影响籽粒品质。本研究表明，在长期不施用氮肥或施氮60 kg·hm-2条件下，籽粒产量显著降低，强筋小麦的品质指标降到中筋小麦品质指标范围，中筋小麦品质指标降到弱筋小麦品质指标范围。而前人的短期施氮试验结果显示，不同施氮处理对小麦品质的影响有限，品质指标没有发生分级变化[24]。可能是由于在短期试验中，土壤为小麦生长提供了更多的氮素，减弱了施氮量不足对产量和品质的影响。本试验中施氮120 kg·hm-2能有效改善多数加工品质指标，而对于面团延伸性，施氮量达到180 kg·hm-2才能显著改善。施氮量达到180 kg·hm-2以上时，各品质指标较好。当施氮量达到300 kg·hm-2时，有的品种品质指标有下降趋势，可能是由于施氮过多抑制了HMW-GS 合成[25]。从高产优质的角度考虑，小麦适宜施氮量范围为180～240 kg·hm-2，与多数研究结果[25-30]一致。

本研究还从农田氮素表观平衡和土壤氮素平衡的角度分析了小麦的适宜施氮范围。小麦籽粒带走的氮量与产量和含氮量有关。本研究中，4个品种农田氮素表观平衡的施氮量分别为197、166、198和218 kg·hm-2，均值为195 kg·hm-2，土壤硝态氮无盈余的施氮量为212 kg·hm-2。土壤硝态氮无盈余施氮量和农田表观平衡的施氮量理论上是一致的，如果考虑1 m以下土壤硝态氮的积累、利用和淋失，降水灌溉等氮的输入，以及硝化和反硝化作用，二者可能更接近。刘瑞等[31]研究表明，在施氮量为180～240 kg·hm-2时，土壤氮素已经表现出盈余，与本研究结果一致。在渭北旱地，施氮量控制在146～163 kg·hm-2时，既可以保证小麦高产，也可防止过量肥料氮残留[32]；而在河北清苑，从小麦产量和硝态氮积累考虑以180 kg·hm-2为最佳施氮量[33]。由此可见，实现小麦高产和农田氮素平衡的适宜施氮量因地而异。

综合考虑高产高效优质安全多种因素(表5)，本研究中N180处理施氮量与各品种的最佳施氮量接近，该处理播前播后0～100 cm土壤硝态氮分别为72和101 kg·hm-2(图4)，与欧盟的标准(0～90 cm土壤硝态氮不超100 kg·hm-2)接近，是能实现高产高效优质安全的施氮量。